Настоящая глава содержит подготовительный и дополнительный материалы. Многие читатели предпочитают сначала представить себе общую картину, а уже потом разбираться в тонкостях ООП. Поэтому многие идеи в данной главе слу¬жат тому, чтобы дать вам цельное представление об ООП. Однако многие люди не воспринимают общей идеи до тех пор, пока не увидят конкретно, как все ра¬ботает; такие люди нередко вязнут в общих словах, не имея перед собой приме¬ров. Если вы принадлежите к последним и горите желанием приступить к осно¬вам языка, можете сразу перейти к следующей главе — пропуск этой не будет препятствием для написания программ или изучения языка. И все же чуть позже вам стоит вернуться к этой главе, чтобы расширить свой кругозор и по¬нять, почему так важны объекты и какое место они занимают при проектирова¬нии программ.
Развитие абстракции
Все языки программирования построены на абстракции. Возможно, трудность решаемых задач напрямую зависит от типа и качества абстракции. Под словом «тип» я имею в виду: «Что конкретно мы абстрагируем?» Язык ассемблера есть небольшая абстракция от компьютера, на базе которого он работает. Мно¬гие так называемые «командные» языки, созданные вслед за ним (такие,* как Fortran, BASIC и С), представляли собой абстракции следующего уровня. Эти языки обладали значительным преимуществом по сравнению с ассемблером, но их основная абстракция по-прежнему заставляет думать вас о структуре компьютера, а не о решаемой задаче. Программист должен установить связь ме¬жду моделью машины (в «пространстве решения», которое представляет место, где реализуется решение, — например, компьютер) и моделью задачи, которую и нужно решать (в «пространстве задачи», которое является местом существо¬вания задачи — например, прикладной областью). Для установления связи тре¬буются усилия, оторванные от собственно языка программирования; в резуль¬тате появляются программы, которые трудно писать и тяжело поддерживать. Мало того, это еще создало целую отрасль «методологий программирования».
Альтернативой моделированию машины является моделирование решаемой задачи. Ранние языки, подобные LISP и APL, выбирали особый подход к моде¬лированию окружающего мира («Все задачи решаются списками» или «Алго¬ритмы решают все» соответственно). PROLOG трактует все проблемы как це¬почки решений. Были созданы языки для программирования, основанного на сис¬теме ограничений, и специальные языки, в которых программирование осуще¬ствлялось посредством манипуляций с графическими конструкциями (область применения последних оказалась слишком узкой). Каждый из этих подходов хорош в определенной области решаемых задач, но стоит выйти из этой сферы, как использовать их становится затруднительно.
Объектный подход делает шаг вперед, предоставляя программисту средства для представления задачи в ее пространстве. Такой подход имеет достаточно общий характер и не накладывает ограничений на тип решаемой проблемы. Элементы пространства задачи и их представления в пространстве решения на¬зываются «объектами». (Вероятно, вам понадобятся и другие объекты, не имеющие аналогов в пространстве задачи.) Идея состоит в том, что програм¬ма может адаптироваться к специфике задачи посредством создания новых ти¬пов объектов так, что во время чтения кода, решающего задачу, вы одновремен¬но видите слова, ее описывающие. Это более гибкая и мощная абстракция, превосходящая по своим возможностям все, что существовало ранее . Таким
Развитие абстракции 19
образом, ООП позволяет описать задачу в контексте самой задачи, а не в кон¬тексте компьютера, на котором будет исполнено решение. Впрочем, связь с компьютером все же сохранилась. Каждый объект похож на маленький ком¬пьютер; у него есть состояние и операции, которые он позволяет проводить. Та¬кая аналогия неплохо сочетается с внешним миром, который есть «реальность, данная нам в объектах», имеющих характеристики и поведение.
Алан Кей подвел итог и вывел пять основных черт языка Smalltalk — перво¬го удачного объектно-ориентированного языка, одного из предшественников Java. Эти характеристики представляют «чистый», академический подход к объектно-ориентированному программированию:
• Все является объектом. Представляйте себе объект как усовершенство¬ванную переменную; он хранит данные, но вы можете «обращаться с за¬просами» к объекту, требуя у него выполнить операции над собой. Теоре¬тически абсолютно любой компонент решаемой задачи (собака, здание, услуга и т. п.) может быть представлен в виде объекта.
• Программа — это группа объектов, указывающих друг другу, что де¬лать, посредством сообщений. Чтобы обратиться с запросом к объекту, вы «посылаете ему сообщение». Более наглядно можно представить сооб¬щение как вызов метода, принадлежащего определенному объекту.
• Каждый объект имеет собственную «память», состоящую из других объектов. Иными словами, вы создаете новый объект с помощью встраи¬вания в него уже существующих объектов. Таким образом, можно сконст¬руировать сколь угодно сложную программу, скрыв общую сложность за простотой отдельных объектов.
• У каждого объекта есть тип. В других терминах, каждый объект являет¬ся экземпляром класса, где «класс» является аналогом слова «тип». Важ¬нейшее отличие классов друг от друга как раз и заключается в ответе на вопрос: «Какие сообщения можно посылать объекту?»
• Все объекты определенного типа могут получать одинаковые сообще¬ния. Как мы вскоре убедимся, это очень важное обстоятельство. Так как объект типа «круг» также является объектом типа «фигура», справедливо утверждение, что «круг» заведомо способен принимать сообщения для «фигуры». А это значит, что можно писать код для фигур и быть уверен¬ным в том, что он подойдет для всего, что попадает под понятие фигуры. Взаимозаменяемость представляет одно из самых мощных понятий ООП.
Буч предложил еще более лаконичное описание объекта:
Объект обладает состоянием, поведением и индивидуальностью.
Суть сказанного в том, что объект может иметь в своем распоряжении внут¬ренние данные (которые и есть состояние объекта), методы (которые опреде¬ляют поведение), и каждый объект можно уникальным образом отличить от любого другого объекта — говоря более конкретно, каждый объект обладает уникальным адресом в памяти .
Объект имеет интерфейс
Вероятно, Аристотель был первым, кто внимательно изучил понятие типа\ он говорил о «классе рыб и классе птиц». Концепция, что все объекты, будучи уникальными, в то же время являются частью класса объектов со сходными ха¬рактеристиками и поведением, была использована в первом объектно-ориенти¬рованном языке Simula-67, с введением фундаментального ключевого слова class, которое вводило новый тип в программу.
Язык Simula, как подразумевает его имя, был создан для развития и модели¬рования ситуаций, подобных классической задаче «банковский кассир». У вас есть группы кассиров, клиентов, счетов, платежей и денежных единиц — много «объектов». Объекты, идентичные во всем, кроме внутреннего состояния во время работы программы, группируются в «классы объектов». Отсюда и пришло ключевое слово class. Создание абстрактных типов данных есть фун¬даментальное понятие во всем объектно-ориентированном программировании. Абстрактные типы данных действуют почти так же, как и встроенные типы: вы можете создавать переменные типов (называемые объектами или экземплярами в терминах ООП) и манипулировать ими (что называется посылкой сообщений или запросом; вы производите запрос, и объект решает, что с ним делать). Чле¬ны (элементы) каждого класса обладают сходством: у каждого счета имеется баланс, каждый кассир принимает депозиты, и т. п. В то же время все члены от¬личаются внутренним состоянием: у каждого счета баланс индивидуален, каж¬дый кассир имеет человеческое имя. Поэтому все кассиры, заказчики, счета, пе¬реводы и прочее могут быть представлены уникальными сущностями внутри компьютерной программы. Это и есть суть объекта, и каждый объект принад¬лежит к определенному классу, который определяет его характеристики и по¬ведение.